A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos (VE) y opciones mejoradas de carga de los mismos, los ingenieros enfrentan desafíos de diseño para implementar más estaciones de carga. En este artículo se exploran desafíos clave, como una carga más rápida, mejoras en la batería y administración térmica, y se analiza el papel de las soluciones de conectividad avanzadas y los avances tecnológicos para respaldar la transición hacia una carga de VE más eficiente y confiable.
Video chapters
- 2:04 Carga más rápida
- 2:43 Mejoras de la batería
- 3:11 Miniaturización automotriz
- 4:01 Entornos difíciles
- 4:20 Requisitos de conectores
Un creciente énfasis a nivel mundial en la energía transformadora está convergiendo con las expectativas de los consumidores en el sector del transporte que involucran seguridad, comodidad, conveniencia y funcionalidad, lo que estimula una revolución en la arquitectura automotriz y un cambio hacia los vehículos eléctricos (VE). Ya que se espera que los VE sean cada vez más predominantes en las calles, también existe un creciente llamado a una implementación más amplia de estaciones de carga de VE, tanto comerciales como residenciales, diseñadas para ayudar a acelerar el reabastecimiento de las baterías.
Como resultado, los ingenieros de todo el mundo están lidiando con dinámicas de diseño complejas, mientras consideran maneras de implementar más estaciones de carga de VE en las cercanías de calles, autopistas, viviendas y lugares de trabajo. Debido a que los VE siguen siendo un mercado emergente, la reputación de las marcas depende de estas cruciales decisiones. En este entorno de concienciación intensificada, una infraestructura de carga de VE ampliada debe abordar factores importantes como la seguridad, el uso, la confiabilidad, la administración térmica y las normas reguladoras en evolución. Continúe leyendo para obtener información oportuna sobre los desafíos y las oportunidades relacionados con la carga de VE.
Principales desafíos de diseño
A medida que las regiones de todo el mundo exploren los VE, los diseños avanzan y está previsto que el mercado gane velocidad. De hecho, según UBS Investment Bank, se prevé que los VE representen el 20 % de las ventas de automóviles nuevos en todo el mundo en 2025 y el 50 % en 2030. De manera similar, JP Morgan señala que los vehículos híbridos a gasolina y eléctricos representarán prácticamente una cuarta parte de las ventas de automóviles en todo el mundo en 2025. Sin embargo, todavía se enfrentan varios desafíos clave para ayudar a que suceda lo mismo con las innovaciones en la carga de VE. Estos incluyen lo siguiente:
Según la encuesta S&P Global Mobility de 2023, el 40 % de los dueños de VE expresan que estarían dispuestos a pagar más por una carga más rápida. Una crítica constante es que las baterías de los VE tardan más en recargarse que los vehículos con motores de combustión interna (ICE, por sus siglas en inglés) en reabastecerse de combustible. Las velocidades de carga de los VE son aún más lentas en climas gélidos, ya que los electrones no se mueven tan rápido en el frío.
El tiempo de carga también suele variar según el tipo de carga: la carga de nivel 1 tarda entre 40 y 50 horas, y la carga de nivel 2, entre 4 y 10 horas. Estas categorías reflejan el hecho de que los fabricantes han estado mejorando el rendimiento de los cargadores al subir la tensión para ayudar a abordar las preocupaciones de los consumidores. Desafortunadamente, la carga amplificada no es necesariamente un antídoto universal: podría causar daños a la batería y afectar el rendimiento. Debido a que el tiempo de carga también se alarga inherentemente a medida que las baterías envejecen, el aumento de potencia no siempre equivale a un llenado rápido en todos los ámbitos.
Adicionalmente a centrarse en la eficiencia de la carga, las mismas baterías de VE podrían beneficiarse de una mayor atención. Por ejemplo, un método de carga más nuevo conocido como Nivel 3 o rápida de CC repone las baterías de VE de manera directa al omitir el aparato a bordo que convierte la corriente alterna (CA) proporcionada por la red en corriente continua (CC). La carga con este método suele tardar una hora o menos. Desafortunadamente, algunos vehículos no pueden admitir la carga rápida de CC, porque las configuraciones actuales de la batería varían significativamente según las marcas y los modelos del fabricante. Aunque modificaciones adicionales pueden ayudar a abordar este problema, las baterías son dispositivos electromecánicos complejos, por lo que la investigación y el desarrollo pueden resultar costosos.
Aquí es donde los enfoques de conectividad más avanzados pueden contribuir a lograr avances importantes. Por ejemplo, el sistema de contacto de celdas Volfinity de Molex emplea una placa de circuito impreso flexible (FPC, por sus siglas en inglés) que conecta las celdas de la batería al tablero de control en un módulo de batería para VE. Esta ligera innovación elimina la necesidad de conexiones en cadena pesadas y cableadas manualmente, mientras que es más resistente a la degradación de los cables individuales. Eso significa que las baterías se pueden fabricar de manera más rápida y rentable, brindando a los fabricantes una mayor oportunidad de experimentar con nuevos diseños.
Los VE actuales incorporan más de 100 unidades de control del motor (ECU, por sus siglas en inglés) y de manera exponencial más componentes electrónicos que los modelos ICE tradicionales. Esto crea limitaciones de espacio que pueden restringir el flujo de aire y elevar sustancialmente los niveles de temperatura interna, una especial preocupación dentro de los ensamblajes automotrices sellados que regularmente enfrentan condiciones ultraexigentes. Los sistemas eléctricos sobrecalentados crean problemas de seguridad e incluso se pueden apagar de manera abrupta. Ninguno de estos son escenarios óptimos para los vehículos que circulan a alta velocidad por una carretera.
Debido a que un subproducto de la carga más rápida es el calor, esta misma dinámica térmica influye en las opciones de carga de VE. La carga de mala calidad de VE puede provocar una reducción de la vida útil de la batería, una disminución de las distancias de conducción y una peligrosa fuga térmica: una escalada de energía sin control que puede provocar incendios o fallas catastróficas.
En resumen, los componentes de VE deben ser compactos y estar diseñados cuidadosamente para que funcionen de manera confiable y mitiguen la escalada de calor en espacios reducidos. Aquí es donde los modelos de simulación de alta fidelidad están cambiando las reglas del juego. Por ejemplo, Molex emplea tecnología de simulación impulsada por inteligencia artificial (IA) para evaluar las capacidades de administración térmica de un conector antes de que un modelo de vehículo se produzca en masa. Esta visión proactiva ayuda a acelerar y optimizar las modificaciones de ingeniería, lo que, a su vez, facilita soluciones más eficaces para los clientes.
Un panorama de carga cambiante
A medida que la necesidad de mejorar la accesibilidad y la eficiencia de la carga de VE se vuelve más imperativa, los avances tecnológicos y de infraestructura adicionales también brindan un respaldo integral. A continuación se resumen algunos ejemplos.
Alimentación de 48 V
Si bien el modelo de alimentación de 12 V ha sido un estándar de la industria automotriz desde la década de 1950, las cambiantes leyes de emisiones se están combinando con la dinámica mencionada anteriormente para impulsar un cambio hacia el diseño de 48 V. De hecho, los vehículos conocidos como híbridos suaves ya incorporan sistemas de 48 V para sostener funciones como el frenado regenerativo. A diferencia de los híbridos completos, los híbridos suaves no requiere carga. Utilizan tanto un motor a gasolina como una pequeña batería eléctrica y pueden almacenar la energía de frenado recuperada para uso futuro.
La energía de 48 V admite la producción de componentes más pequeños para cada tipo de VE, lo que permite a los diseñadores de automóviles incluir más funciones en un espacio determinado. Eso significa que los vehículos pueden incluir más capacidades mejoradas de carga inalámbrica, información y entretenimiento, y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS, por sus siglas en inglés). Ya que los componentes más pequeños requieren menos materiales, los costos de producción y el consumo total de energía también pueden disminuir.
Los sistemas más eficientes de 48 V también ayudan a controlar las emisiones, al tiempo que crean vehículos más livianos con menos resistencia, para que esos vehículos se puedan manejar mejor y viajar más lejos con un solo tanque o carga. Otro beneficio clave es que los sistemas de 48 V pueden admitir tensiones más altas, lo que ayuda a mejorar la distribución de energía y al mismo tiempo reduce la carga de la batería. En términos de carga de VE, esto puede significar:
- Mejor transferencia de energía entre la batería y la estación de carga
- Menor tiempo de carga con mayor duración de la batería
- Mejor compatibilidad con sistemas de carga de mayor potencia como carga rápida de CC
Sin embargo, para lograr la promesa de 48 V para híbridos completos y VE se requieren sistemas de control de energía que puedan administrar niveles de tensión más altos para optimizar la eficiencia de la carga, junto con conectores que ayuden a simplificar las actualizaciones arquitectónicas.
Innovaciones en conectividad
Ese es el motivo por el cual innovaciones como los conectores de media tensión Molex MX150 crean ventajas importantes. Al basarse en el diseño Molex MX150 probado en campo, estas soluciones de una y dos filas son compatibles con actualizaciones a la arquitectura de cableado de 48 V, mientras que minimizan el trabajo de ingeniería de diseño adicional.
Este es solo un ejemplo de cómo la ingeniería de conectores de vanguardia está allanando el camino hacia un futuro de VE más eficientes. Debido a que las soluciones de interconexión automotriz actuales alimentan vehículos y cargadores, deben cumplir una función cuádruple: admitir actualizaciones eficientes, adaptarse a las limitaciones de espacio, mitigar la generación de calor y soportar condiciones exigentes para lograr un rendimiento seguro y confiable.
Los propios VE necesitan interconexiones selladas, miniaturizadas y resistentes con pasos más altos y una funcionalidad más integrada. Los cargadores de VE avanzados exigen una variedad de conectores de cable a placa, conectores de placa a placa, bloques de terminales, regletas de barrera, conectores de tarjetas de memoria y más confiables y cuidadosamente integrados: todo lo cual debe funcionar de manera fluida y predecible cuando los niveles de batería son bajos. Cuando los conductores enchufan, es igualmente imperativo evitar poner en riesgo el vehículo, sus ocupantes o las estructuras circundantes.
Lo que está en juego requiere experiencia comprobada en ingeniería combinada con conocimiento del mercado, perspectivas multidisciplinarias y capacidades de fabricación integradas. Por ejemplo, Molex trabaja periódicamente junto con fabricantes de automóviles de Nivel 1 y proveedores confiables de la industria para diversificar las ofertas a los clientes, de manera que sean seguras, cumplan la normativa y comercialmente viables. Molex también utiliza la tecnología de gemelos digitales para optimizar de manera proactiva el rendimiento de sus carteras de productos de conectividad. Impulsada por datos históricos, algoritmos de aprendizaje automático (ML, por sus siglas en inglés) y los últimos avances en IA, la tecnología de gemelos digitales brinda a los diseñadores y operadores información temprana del mundo real para ayudar a mejorar el rendimiento.
Conectores de barra de bus PowerPlane
Estos innovadores conectores de alimentación adaptables brindan un rendimiento de alta corriente, junto con múltiples configuraciones y opciones de funciones. Su confiabilidad diseñada con precisión los hace ideales para una variedad de aplicaciones de distribución de energía.
Productos EXTreme Power
Diseñadas específicamente para ser compatibles con aplicaciones de alta corriente con densidades de potencia óptimas y capacidades de administración térmica excepcionales, estas soluciones también se encuentran disponibles en una amplia gama de configuraciones, para que los clientes puedan seguir evolucionando sin problemas.
Conectores Micro-Fit
La familia de conectores Micro-Fit puede soportar temperaturas de funcionamiento de hasta 125 °C. Escoja entre varios tamaños de circuitos y longitudes de cables que puedan ser compatibles con configuraciones de placa a placa, de cable a placa y de cable a cable.
Conectores de media tensión MX150
Los conectores de media tensión MX150 cuentan con el factor de forma probado MX150 para permitir actualizaciones de 48 V con una ingeniería de diseño mínima, lo que es compatible con mejoras arquitectónicas con importantes ahorros de costos y peso.
Pin y enchufe Sentrality
Diseñado con un compacto conjunto de enchufe cónico que es compatible con alturas de pila más cortas que la mayoría de sus equivalentes del mercado que utilizan enchufes hiperbólicos, el sistema de interconexión de pines y enchufes Sentrality ofrece conectores de alta tensión y alta corriente de placa a placa, de barra a placa y de barra de bus a barra de bus. También proporciona una capacidad de autoalineación radial de +/- 1,00 mm líder en la industria para superar los problemas de acumulación de tolerancia.
Compactus
Estos conectores híbridos sellados son innovaciones resistentes, de alta densidad y de calidad automotriz que ayudan a los fabricantes a incorporar más capacidades de potencia y transmisión de señal en espacios reducidos.
A medida que la conciencia generalizada sobre las opciones energéticas transformadoras se combina con la creciente demanda de los consumidores por una mayor seguridad, comodidad, conveniencia, información y entretenimiento de los vehículos, los VE y las opciones mejoradas de carga de VE están asumiendo un papel central. En este panorama industrial multifacético, Molex colabora con Arrow Electronics para ofrecer soluciones de interconexión avanzadas para una variedad de aplicaciones relacionadas con VE. Las innovaciones de Molex, entre las que se encuentran conectores cable a cable, placa a placa y cable a placa, así como conjuntos de cables y sensores, reflejan décadas de experiencia comprobada en automóviles para ofrecer un rendimiento de vanguardia que mantiene a las innovaciones de los clientes en constante evolución y a la vanguardia.
